Isıtma ve soğutma sistemlerinin

advertisement
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
261
______
SICAKLIK ÖLÇÜMÜNÜN TERMODİNAMİK TEMELLERİ VE
TEKNOLOJİK GELİŞİMİ
Ünal ÇAMDALI
Erhan TUNÇEL
1. ÖZET
Soğuk ve sıcak kavramları çok bilinen kavramlar olmasına rağmen, sıcaklığın tam bir tanımını yapmak
kolay değildir. Duyularımız yardımıyla sıcaklık düzeyini: soğuk, ılık, sıcak gibi sözcüklerle göreceli
olarak ifade edebiliriz. Ancak duyularımıza dayanarak sıcaklıklara sayısal değerler vermemiz mümkün
değildir.
Bu çalışmada sıcaklık ölçümünün termodinamik temelleri, Termodinamik yasalarından yararlanılarak
tanımlanmaya çalışılmıştır. Ayrıca bu çalışmada sıcaklık ölçüm teknikleri ile birlikte, sıcaklık
ölçümünde kullanılan cihazların teknolojik gelişimi de ortaya konmaya çalışılmıştır.
2. GİRİŞ
Sıcaklığın tam bir tanımını yapmak kolay değildir. Duyularımızdan faydalanarak bir cismin sıcaklığını
sıcak, soğuk, ılık gibi sözcüklerle ifade etmemize rağmen yine duyularımız yardımıyla cismin
sıcaklığını sayısal olarak belirlememiz mümkün değildir.
Sıcaklık ölçümü, maddelerin sıcaklığa göre değişim gösteren özelliklerine göre yapılabilir. Örnek
olarak halk arasında derecede diye bilinen cıvalı termometreler ile sıcaklığı ölçebiliriz. Cıvanın
sıcaklıkla genleşmesi sıcaklığın değerini bulmamıza yardımcı olur.
Bir termodinamik sistem, belirli bir kütle veya uzayda incelenmek üzere ayrılan bir bölgeyi belirtir [1] .
Böyle bir sistemi içerdiği maddeleri, hacmi, basıncı ve sıcaklığı ile tanımlayabiliriz. Bir sistemin
sıcaklığı arttıkça sistemi oluşturan elemanların düzensiz ısıl hareketi de artar. Soğutulduğunda da
tersine olarak ısıl hareketi yavaşlar ve daha düzenli bir hale gelir. Katı bir cisim ısıtıldığında,
atomlarındaki hızlı titreşim ile sıvı hale geçmesi; sıcaklık daha da artırıldığında atomlar arasındaki
bağların kopması ile birlikte gaz haline geçmesi buna örnek olarak verilebilir.
Farklı sıcaklıklarda ve dış ortamdan izole edilmiş iki farklı bakır blok birbiri ile temas ettirildiğinde bu iki
blok arasında ısı alışverişi gerçekleşir. Isı alışverişi süresince sıcak olan blok zamanla soğurken,
soğuk olan blok da zamanla ısınacaktır. Bir süre sonra ısı alışverişi tamamlanarak iki blok da ısıl
dengeye ulaşmış olacaktır. Blokların ısıl dengeye ulaşıp ulaşmadığını sıcaklıklarına bakarak
anlayabiliriz. Isıl denge için tek koşul sıcaklıkların eşit olmasıdır.
Termodinamiğin sıfırıncı yasası iki ayrı cismin bir üçüncü cisimle ısıl dengede olmaları durumunda,
kendi aralarında da ısıl dengenin olacağını belirtir. Üçüncü cisim termometre olarak alınırsa, sıfırıncı
yasa şu şekilde yazılabilir: Sıcaklıkları aynı değer olarak ölçülen iki cisim birbirleriyle temas etmeseler
de ısıl dengededirler [1] . Örnek olarak Şekil 1‘de görüleceği gibi A, B ve C cisimleri bulunmaktadır.
Eğer A cismi B cismi ile ve B cismi de C cismi ile ısıl dengede ise, A ve C cisimleri de ısıl dengede
olacaktır [2] .
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
262
______
B ile C ısıl dengede
A
C
B
A ile B ısıl dengede
Şekil 1. Isıl Denge
3. SICAKLIĞIN ÖLÇÜLMESİ VE SICAKLIK ÖLÇEKLERİ
Sıcaklığı ölçmek için kullanılan ilk cihaz Galilei' nin 1597 yılında yaptığı termoskoptur. Termoskop,
ince ve uzun bir tüp ile yumurta şeklindeki kısımdan oluşan cam bir şişeydi. Şişenin tüp şeklindeki
kısmı, içinde sıvı olan başka bir kaba konuluyordu. Yumurta şeklindeki kısmı da elle ovuşturarak
ısıtılıyordu. Eller çekildiğinde kaptaki sıvı, tüpün içinde belli bir yüksekliğe ulaşıyordu.
İlk sıvılı termometre 1641 yılında günümüzde İtalya’da bulunan Toskana bölgesi imparatoru II.
Ferdinand için yapılmıştır. Sıcaklığı ölçmek için sıvının sıcaklıkla değişen özelliklerinden
yararlanılıyordu. Bu termometre sabit noktası olmayan 50 eşit bölümle işaretlenmiş bir tüp içindeki
alkolden oluşuyordu.
1664’de İngiliz bilim adamı Robert Hooke termometrede, sıvı olarak alkolle birlikte kırmızı boya
kullanmıştır. Yapmış olduğu ölçekte 500 parçaya bölünmüş sıvı sütunun her bir parçası 1 dereceye
karşılık gelmektedir. Ölçekte sabit nokta olarak suyun donma noktasını seçmiştir. Robert Hooke
yaptığı bu ölçekle standart ölçeğin çeşitli büyüklükte termometrelerde kullanılabileceğini göstermiştir.
1702'de gökbilimci Ole Roemer iki sabit nokta olarak buzun ergime ve suyun kaynama noktalarını
alarak bir ölçek oluşturmuştur. Bu ölçekle 1708-1709 yılları arasında Copenhag'ta ölçümler yapmıştır.
1724 'de Gabriel Fahrenheit ilk kez termometrik sıvı olarak cıvayı kullanmıştır. Cıvanın ısıl genleşmesi
yüksek ve düzgün olduğundan, büyük sıcaklıkları ölçmede de bir sorun oluşturmamaktadır. Görünümü
de sıcaklığın okunmasını kolaylaştırmaktadır. Fahrenheit tuz-buz karışımının sıcaklığına 0, insan
vücudunun sıcaklığına 96 değerini verdi. Bu değerlere dayanarak yapılan ölçümler sonucu buz ve
buhar noktalarının sıcaklıklarının sırasıyla 32 ve 212 olduğunu tespit etmiştir. Bu durumda 32 ve 212
noktaları sabit noktalar olarak alınmıştır.
Fahrenheit bu ölçekte suyun kaynama noktasını 212 olarak ölçmüştür. Daha sonra suyun donma
noktasını 32 ayarlamıştır. Suyun kaynama noktası ve donma noktası arasını 180 eşit parçaya
bölmüştür. Bu ölçekte ölçülen değerin birimi Fahrenheit derecesi (F) olmuştur [3] .
100 derecelik (santigrat) ölçeğini ilk defa İsveçli astronom Anders Celsius 1742’de geliştirmiştir.
Celsius, suyun kaynama noktasını 0°, buzun ergime noktasını 100° olarak almıştır. Sonradan bu
ölçek ters çevrildi ve soğuk uç 0°, sıcak uç 100° olarak kabul edildi. Yaygın olarak kullanılan bu ölçek
1948 yılına kadar santigrat ölçeği olarak anılmış 1948’ de adı Celsius Ölçeği olarak değiştirilmiştir.
İngiliz fizikçi Lord Kelvin, 1848’de Celsius dereceyi kullanan ama sıfır mutlak sıfırda (-273,15C°) olan
yeni bir sıcaklık ölçeği ortaya koydu. Termodinamik sıcaklık ölçeği olarak da tanımlanan bu ölçek
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
263
______
tersinir ısı makinaları esas alınarak tanımlanmıştır. Bu ölçeğin sıcaklık birimi Kelvin (K) olarak
adlandırılır. 1 K, suyun üçlü noktası değerinin 1/273,16’sı olarak tanımlanır [1,4,5].
Rankine sıcaklık ölçeği de, mutlak sıcaklık ölçeği olmasına rağmen Fahrenheit ölçeğini kullanan bir
sıcaklık ölçeğidir [1,4].
Kelvin ölçeği ile Celsius ölçeğinin ilişkisi,
T ( K ) = T ( °C ) + 273
(1)
Rankine ölçeği ile Fahrenheit ölçeği arasındaki ilişki ise,
T ( R ) = T ( ° F ) + 460
(2)
bağıntıları ile verilmektedir. İki birim sistemindeki sıcaklık ölçekleri arasında aşağıdaki bağıntılar
kullanılarak çevirme yapılabilir [1] :
T ( R ) = 1.8T ( K )
(3)
T ( °F ) = 1.8T ( °C ) + 32
(4)
Yukarıda ortaya konan sıcaklık ölçekleri Şekil 2. de gösterilmiştir.
Kelvin
Şekil 2. Sıcaklık Ölçekleri
4. SICAKLIK ÖLÇÜM TEKNİKLERİ
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
264
______
Sıcaklık doğrudan ölçülemeyen bir özellik olmakla birlikte ölçümü direnç, hacimsel genleşme ve buhar
basıncı gibi sıcaklıkla ilişkili fiziksel olaylara dayalı olarak belirlenir. Birçok sıcaklık ölçüm tekniği
mevcuttur. Bunlar ölçümün yapılacağı ortam ve cihaz arasındaki yakınlığa göre sınıflandırılabilir:
Akışkanlarda sıcaklık ölçümü, sıvılı cam termometre, ısıl çift ya da rezistanslı sıcaklık dedektörü gibi
sıvıya gömülebilen sensörlerle yapılabilir. Kızılötesi termometrelerle de sıvı sıcaklıkları ölçülebilir.
Ancak bu yöntemlerin kullanımı yüzey emisyonu ve şeffaflık derecelerindeki dengesizlik yüzünden
daha zordur [5] .
Katı bir cismin sıcaklığı ölçülmek istendiğinde de, cisimde sensörün yerleştirileceği bir delik açılır.
Sensör cisimle ısıl dengeye ulaşıncaya kadar bekletilir. Sensör ile cisim arasındaki ısıl etkileşimini
artırmak için açılan deliğe yüksek ısıl iletkenlikli yağ konulabilir. Sensöre bağlanan kablolar boyunca
istenmeyen ısı iletimleri mümkün mertebede en aza indirgenmelidir.
Saldırgan Teknikler (Invasive Techniques)
Algılayıcının, sıcaklığı ölçülecek ortamla doğrudan temas halinde olduğu tekniklerdir. Sensörler, sıvılı
cam termometreler, çift metalli çubuklar, ısıl çiftler, rezistanslı sıcaklık dedektörleri ve gaz
termometreleri saldırgan tekniklere örnektir.
Şekil 3’de görüldü gibi cam termometre cıva ile doldurulmuş cam tüpten meydana gelir. Sıcaklığın
artması ile cıva genleşir. Böylece cıvanın hacmi ölçülerek sıcaklık belirlenir. Bu termometreler normal
bir insanın cıva seviyesine göre sıcaklığı kolayca okuması için kalibre edilirler.
Şekil 3. Cıvalı Termometre
Bu tip termometreler genellikle termostat gibi kontrol cihazlarında kullanılırlar. Çift metalli
termometreler (Şekil 4) farklı ısıl genleşme katsayılarına sahip iki metalin birleştirilmesiyle yapılır.
Sıcaklığı değiştiğinde metallerin ısıl genleşmeleri farklı olduğundan çubuk bükülür. Bükülmenin
büyüklüğü sıcaklık değişiminin ölçüsünü verir. Çift metalli çubuklar, ibreli termometreler için spiral veya
helezonik şekilde yapılırlar. Çift metalli çubuk bir helise sarılıdır. Çubuktaki bükülme, helisin serbest
ucunun kendi etrafında dönmesini sağlar. Bu uç, ibrenin şaftına bağlanır ve ibrenin hareketi ile
ölçekten sıcaklık değeri okunabilir [3, 6].
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
265
______
Şekil 4. Çift Metalli Termometre
Şekil 5’de görüldüğü gibi Isıl çiftler (Thermocouples) düşük maliyetleri, geniş sıcaklık aralıklarında
ölçüm sağlamaları nedeniyle araştırma laboratuarlarında ve sanayide sıkça kullanılırlar. Basit olarak
ısıl çiftler birbirine bağlı iki farklı telin ucuna bir voltaj ölçüm cihazı bağlanarak elde edilebilir. İki tel
arasına bağlanan voltmetre sıcaklığın bir fonksiyonu olan elektromotor kuvvetini (emk) gösterir.
Şekil 5. Isıl Çift Yapısı (T1: termoelektrik bağlantı sıcaklığı, T2: uç bağlantı sıcaklığı)
Piyasada kullanılan tellerin alaşımlarına, ölçülebilen sıcaklık aralıklarına ve hassaslığına göre birçok
ısıl çift mevcuttur. Isıl çiftlerde uluslar arası standartlara uygun sekiz standart malzeme kullanılır.
Bunlar üç kategoride incelenir:
•
•
•
Nadir bulunan metallerden yapılan ısıl çiftler (B, R, ve S tipi ısıl çiftler: platin ve platin rodyumlu
alaşımlardan üretilir.)
Nikelli ısıl çiftler (K ve N tipi ısıl çiftler)
Konstantan negatif ısıl çiftler (E, J ve T tipi ısıl çiftler ) [5,7].
Sıcaklığa göre direnci değişen termistörler de bazı uygulamalarda kullanılırlar. Termistörler sıcaklık
sabitine göre ikiye ayrılırlar:
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
•
•
__________________________________________________________
266
______
Pozitif sıcaklık sabitine göre termistörler (PTC)
Negatif sıcaklık sabitine göre termistörler (NTC)
Pozitif sıcaklık değerine sahip (PTC) dirençler (Şekil 6) ısındığı zaman, direnç değeri büyür. Baryum
karbonat ve titanyum dioksitin sinterlenmesi ile üretilen baryum-titanat kullanılarak üretilirler. Genellikle
sıcaklık ölçümlerinde kullanılmazlar. Kullanım yerleri sıcaklığa duyarlılık gereken alanlar, anahtarlar,
elektrik motorlarındaki ve transformatörlerdeki sarımların korunması vb olarak sıralanabilir. [8, 9].
Şekil 6. PTC Termistörü
Negatif sıcaklık değerine sahip (NTC) dirençler (Şekil 7)) ısındığı zaman direnç değeri azalır. Mangan,
nikel, kobalt, demir, bakır ve titanyum gibi metallerin oksitleri kullanılarak üretilirler. NTC termistörler
bağlanma şekline göre iki kategoriye ayrılırlar: boncuk termistörler ve metalleştirilmiş yüzey
termistörleri şeklindedir. NTC termistörleri motor ve transformatör gibi fazla ısınması istenmeyen
sistemlerde alarm ve koruma devresini harekete geçirmek için ve bir su deposundaki su seviyesinin
kontrolünün sağlanmasında kullanılabilir.
Şekil 7. NTC Termistörü
Manometrik termometreler (Şekil 8) sıcaklığı belirlemek için basıncı ölçerler. Gaz termometreleri, ideal
gaz yasasını temel alan ve 1 K ile 100 K arasında ölçüm yapabilen manometrik termometrelerdir. En
çok kullanılan sabit hacimli gaz termometresidir. Bu yöntemde sıcaklı şu şekilde ölçülür: gaz ile
doldurulmuş balon, sıcaklığı bilinen (T1) bir sıvıya batırılır. Balon ile sıvı ısıl dengeye ulaştığında,
balonun basıncı (P1) ölçülür. Bu işlem sıcaklığı bilinmeyen (T2) bir sıvı ile tekrarlanır. (5) Eşitliği
kullanılarak (T2)sıcaklığı hesaplanır.
T2 = T1
P2
P1
(5)
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
267
______
Şekil 8. Manometrik Termometre
Yarı Saldırgan Teknikler (Semi-Invasive Techniques)
Sıcaklığı ölçülecek yüzeylerin uzaktan incelenmesi amacıyla kullanılan tekniklerdir. Sıcaklığa duyarlı
katı kristal veya boyalar ve sıvı kristaller kullanılır. Uygulandıkları yüzeyin uzaktan gözlenmesine izin
veren sıcaklığa duyarlı birçok madde bir yapıştırıcı madde ile karıştırılarak boya haline getirilir.
Kullanılan sıvı kristallerde, sıcaklık değiştikçe renk değişimi meydana gelir. Gerekli kalibrasyon
yapılarak akışkan kristallerin rengine göre sıcaklıklarının elde edilmesi mümkündür.
Belirli bir sıcaklığa ulaşıldığını veya o sıcaklığın aşıldığını gösteren sıcaklığa duyarlı kalem (Şekil 9),
topak ve etiketler bu gruba girerler.
Şekil 9. Sıcaklığa Duyarlı Kalemler
Saldırgan Olmayan Teknikler (Non-Invasive Techniques)
Sıcaklığı ölçülecek yüzeyin uzaktan gözlenmesini sağlayan tekniklerdir. Bu teknikler içinde en yaygın
olarak kullanılanı kızılötesi termometrelerdir.
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
268
______
Işınım ile ısı transferi, ısı enerjisinin elektromanyetik radyasyon yoluyla transferi olarak tanımlanabilir.
Kızılötesi termometreler (Şekil 10) ısı enerjisinin elektromanyetik radyasyon ile yayılmasından
yararlanarak, sıcaklığın ölçülmesini sağlarlar. Tipik bir kızılötesi ölçüm sisteminde elektromanyetik
radyasyonu toplayan bir sistem, ışımayı sıcaklıkla ilgili bir sinyale dönüştürecek bir detektör, bir
amplifikatör, ölçümün görüntülenmesi, denetlenmesi ve kaydedilmesi için bir arabirim devresinden
oluşur.
Kızılötesi ışıma boşluktan ve bir ortamdan geçebildiğinden sensörün sıcaklığı ölçülecek ortamla temas
halinde olması gerekmez. Kızılötesi termometreler 50 ila 6000 K‘lik ölçüm aralığına sahiptir. Diğer
cihazlar ile ölçümün zor olduğu yerlerde kullanılırlar.
Şekil 10. Kızılötesi Termometre
Kızılötesi termometreler proses bakım, problemlerin tespiti, ısıtma–havalandırma uygulamaları, gıda
güvenliği, plastik kalıpçılığı gibi alanlarda kullanılırlar.
En Çok Kullanılan Kızılötesi Termometre Çeşitleri
Nokta kızılötesi termometreler veya pirometreler bir yüzeydeki noktanın sıcaklığını ölçmek için
kullanılır.
Kızılötesi çizgi tarama sistemleri daha büyük alanları tarar. Bu cihazlar konveyör ve dokuma alanlarını
kapsayan üretimlerde kullanılır. Örnek olarak büyük bir fırındaki cam ya da metal tabakaları ve
konveyör bandı üzerindeki kumaş, bez, kâğıt gibi malzemeler verilebilir.
Termal kameralar
Bir cismin yüzey sıcaklığını niteliksel ve niceliksel olarak işleyebilen cihazlardır (Şekil 11). Bu tip
sistemler yüzey sıcaklığının ölçülmesinden çok, görüntüsünü (Şekil 12) oluşturmak için kullanılırlar.
Herhangi bir aydınlatma aracı olmadan da çalışmaları nedeniyle askeri uygulamalar ve kurtarma
çalışmalarında kullanılırlar. [5, 10]
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
269
______
Şekil 11. Termal Kamera
Şekil 12. Termal Kameradan Elde Edilen Görüntü
SONUÇ
Sıcaklık da enerji gibi çok bilinen kavram olmasına rağmen, tek bir tanımı yoktur. Bu durum söz
konusu kavramların anlaşılabilirliğini güçleştirmektedir. Bununla birlikte sıcaklık ölçümü çok eskilere
dayanan bir olgu olmasına rağmen, ölçümün dayandığı termodinamik ilkelerden olan termodinamiğin
sıfırıncı yasasının, bu olaylardan yüzyıllar sonra anlaşılması da ayrıca bilim tarihi açısından ilginç bir
nokta olarak karşımıza çıkmaktadır. Zira bu yasa ilk defa 1931 yılında R.H. Fowler tarafından net
olarak ortaya konmuştur. Ayrıca termodinamik sıcaklık ölçeği olarak da tanımlanan mutlak sıcaklık
ölçeği de, termodinamiğin ikinci yasası ile ilişkilendirilerek geliştirilmiştir.
Günümüzde teknolojik gelişmelere bağlı olarak ölçüm teknolojileri de sürekli olarak gelişimini
sürdürmektedir.
VII. ULUSAL ÖLÇÜMBİLİM KONGRESİ
__________________________________________________________
270
______
Bu çalışma bu anlamda sıcaklık kavramının tanımlanmasına ve anlaşılabilirliğine katkı yapmak
amacına hizmet etmesine yönelik olarak hazırlanmıştır.
KAYNAKLAR
[1]
[2]
[3]
[4]
[5]
[6]
[7]
[8]
[9]
[10]
Çengel, Y. A. ve Boles, M. A., Mühendislik Yaklaşımıyla Termodinamik, Literatür, 1996
http://en.wikipedia.org/wiki/Zeroth_law_of_thermodynamics
Grigull, U., “Fahrenheit A Pioneer of Exact Thermometry”, Proceedings Of The Workshop On
The Second Law of Thermodynamics, Vol. 1, 13.1−13.10, 27-30 Ağustos 1990 Kayseri, 1991
Moran, M. J. ve Saphiro, H. N., Fundamentals of Engineering Thermodynamics, John
Wiley&Sons, 2006
Childs P., Endüstriye Dönük Uygulamalı Sıcaklık Ölçme Yöntemleri, Elsevier, 2005
http://www.tpub.com/content/fc/14104/css/14104_236.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermocouple
http://www.silisyum.net/htm/pasif_devre_elemanlari/termistor.htm
http://en.wikipedia.org/wiki/Thermistor
http://en.wikipedia.org/wiki/Infrared_thermometer
ÖZGEÇMİŞLER
Ünal ÇAMDALI
1964’de Kayseri’de doğmuştur. 1986 yılında İstanbul Teknik Üniversitesinde Lisans öğrenimini
bitirdikten sonra aynı üniversiteden 1989 yılında Yüksek Mühendis ve 1998 yılında da Doktora
derecelerini almıştır. Endüstriyel elektrik ark fırınlarında termodinamiğin birinci ve ikinci kanun analizi
ve ısı transfer analizi ile endüstriyel sistemlerin değişken çevresel koşullardaki termodinamik analizi
konularında çalışmalar yapmıştır. Ayrıca eski çalıştığı kurum olan Türkiye Kalkınma Bankasında da
1988-2007 arasında pek çok endüstriyel projenin değerlendirilmesinde görev almıştır. Ulusal ve
uluslararası birçok dergide 60'ın üstünde makaleleri yayınlanmıştır. 2007 yılından beri Abant İzzet
Baysal Üniversitesi Müh. Mim. Fak. Mak. Müh. Bölümünde Doçent Doktor olarak çalışmalarını
sürdürmektedir.
Erhan TUNÇEL
1984 Bolu doğumludur. 2007 yılında Zonguldak Karaelmas Üniversitesi Mühendislik Fakültesi Makina
Mühendisliği bölümünü bitirmiştir. 2008 yılında Sakarya Üniversitesi Fen Bilimleri Enstitüsü'nde yüksek
lisans öğrenimine başlamıştır ve öğrenimini devam ettirmektedir.
Download
Random flashcards
KALPTE İLETİM NOKTALARI

3 Cards oauth2_google_cfd2531f-f18a-45fd-9d97-afe31596ce7b

Terimler

2 Cards oauth2_google_ef32970e-e5f9-4595-9abe-394e9f6bc8d9

Animasyon Temelleri

2 Cards selçuk

Create flashcards